POLIMERAZA: CHARAKTERYSTYKA, BUDOWA I FUNKCJE - BIOLOGIA - 2026

W polimerazy to enzymy, których działanie jest związane z procesami replikacji i transkrypcji kwasów nukleinowych. Istnieją dwa główne typy tych enzymów: polimeraza DNA i polimeraza RNA.

Polimeraza DNA jest odpowiedzialna za syntezę nowego łańcucha DNA podczas procesu replikacji, dodając nowe nukleotydy. Są dużymi, złożonymi enzymami i różnią się budową w zależności od tego, czy występują w organizmie eukariotycznym czy prokariotycznym.

Polimeraza Taq: enzym używany w PCR.
Źródło: Lijealso

Podobnie polimeraza RNA działa podczas transkrypcji DNA, syntetyzując cząsteczkę RNA. Podobnie jak polimeraza DNA, występuje zarówno u eukariontów, jak i prokariotów, a jej struktura i złożoność różnią się w zależności od grupy.

Z perspektywy ewolucyjnej można przypuszczać, że pierwsze enzymy musiały mieć aktywność polimerazy, ponieważ jednym z nieodłącznych wymagań dla rozwoju życia jest zdolność genomu do replikacji.

Centralny dogmat biologii molekularnej

Tak zwany „dogmat” biologii molekularnej opisuje tworzenie białek z genów zaszyfrowanych w DNA w trzech etapach: replikacja, transkrypcja i translacja.

Proces zaczyna się od replikacji cząsteczki DNA, w której dwie jej kopie są generowane w sposób półkonserwatywny. Wiadomość z DNA jest następnie przepisywana na cząsteczkę RNA, zwaną informacyjnym RNA. Wreszcie, przekaźnik jest tłumaczony na białka przez maszynerię rybosomalną.

W tym artykule zbadamy dwa kluczowe enzymy zaangażowane w dwa pierwsze wymienione procesy.

Warto zauważyć, że istnieją wyjątki od głównego dogmatu. Wiele genów nie ulega translacji na białka, aw niektórych przypadkach przepływ informacji odbywa się z RNA do DNA (jak w retrowirusach).

Polimeraza DNA

cechy

Polimeraza DNA jest enzymem odpowiedzialnym za dokładną replikację genomu. Praca enzymu musi być na tyle wydajna, aby zapewnić zachowanie informacji genetycznej i jej przekazanie następnym pokoleniom.

Jeśli weźmiemy pod uwagę wielkość genomu, jest to dość trudne zadanie. Na przykład, gdybyśmy postawili sobie za zadanie przepisanie 100-stronicowego dokumentu na naszym komputerze, z pewnością mielibyśmy jeden błąd (lub więcej, w zależności od naszej koncentracji) dla każdej strony.

Polimeraza może dodać więcej niż 700 nukleotydów na sekundę i jest błędna tylko co 10 ⁹ lub 10 ¹⁰ włączonych nukleotydów, co jest nadzwyczajną liczbą.

Polimeraza musi mieć mechanizmy, które umożliwiają dokładne skopiowanie informacji z genomu. Dlatego istnieją różne polimerazy, które mają zdolność replikacji i naprawy DNA.

Charakterystyka i struktura

Polimeraza DNA jest enzymem, który działa w kierunku 5'-3 'i działa poprzez dodanie nukleotydów na końcowym końcu z wolną grupą -OH.

Jedną z bezpośrednich konsekwencji tej cechy jest to, że jedną z nici można zsyntetyzować bez żadnych niedogodności, ale co z nicią, która musi być syntetyzowana w kierunku 3'-5 '?

Ten łańcuch jest syntetyzowany w tak zwanych fragmentach Okazaki. W ten sposób syntetyzowane są małe segmenty w normalnym kierunku, 5'-3 ', które są następnie łączone przez enzym zwany ligazą.

Strukturalnie polimerazy DNA mają wspólne dwa miejsca aktywne, które posiadają jony metali. Znajdujemy w nich asparaginian i inne reszty aminokwasowe, które koordynują metale.

Rodzaje

Tradycyjnie u prokariotów zidentyfikowano trzy typy polimeraz, które są nazywane cyframi rzymskimi: I, II i III. U eukariontów rozpoznaje się pięć enzymów i nazywa się je literami alfabetu greckiego, a mianowicie: α, β, γ, δ i ε.

W najnowszych badaniach zidentyfikowano pięć typów DNA u Escherichia coli, 8 w drożdżach Saccharomyces cerevisiae i ponad 15 u ludzi. W linii roślin enzym ten był mniej badany. Jednak w organizmie modelowym Arabidopsis thaliana opisano około 12 enzymów.

Aplikacje

Jedną z najczęściej stosowanych technik w laboratoriach biologii molekularnej jest PCR lub reakcja łańcuchowa polimerazy. Procedura ta wykorzystuje zdolność polimerazy polimerazy DNA do amplifikacji o kilka rzędów wielkości cząsteczki DNA, którą chcemy zbadać.

Innymi słowy, pod koniec procedury będziemy mieli tysiące kopii naszego docelowego DNA. Zastosowania PCR są bardzo zróżnicowane. Znajduje zastosowanie w badaniach naukowych, diagnostyce niektórych chorób, a nawet w ekologii.

Polimeraza RNA

cechy

Polimeraza RNA jest odpowiedzialna za generowanie cząsteczki RNA, zaczynając od matrycy DNA. Powstały transkrypt jest kopią, która uzupełnia segment DNA, który został użyty jako szablon.

Informacyjny RNA jest odpowiedzialny za przenoszenie informacji do rybosomu w celu wytworzenia białka. Uczestniczą także w syntezie innych typów RNA.

To nie może działać samodzielnie, potrzebuje białek zwanych czynnikami transkrypcyjnymi, aby móc skutecznie wykonywać swoje funkcje.

Charakterystyka i struktura

Polimerazy RNA to duże kompleksy enzymatyczne. Są bardziej złożone w linii eukariotycznej niż u prokariotycznej.

U eukariontów istnieją trzy typy polimerazy: Pol I, II i III, które są centralną maszynerią syntezy odpowiednio rybosomalnego, informacyjnego i transferowego RNA. Natomiast u prokariotów wszystkie ich geny są przetwarzane przez jeden typ polimerazy.

Różnice między polimerazą DNA i RNA

Chociaż oba enzymy wykorzystują hybrydyzację DNA, różnią się one na trzy kluczowe sposoby. Po pierwsze, polimeraza DNA wymaga startera do zainicjowania replikacji i połączenia nukleotydów. Starter lub starter to cząsteczka złożona z kilku nukleotydów, których sekwencje są komplementarne do określonego miejsca w DNA.

Podkład daje polimerazie wolny –OH, aby rozpocząć proces katalityczny. Natomiast polimerazy RNA mogą rozpocząć swoją pracę bez konieczności stosowania podkładu.

Po drugie, polimeraza DNA ma wiele regionów wiążących na cząsteczce DNA. Polimeraza RNA może wiązać się tylko z sekwencjami promotorowymi genów.

Wreszcie polimeraza DNA jest enzymem, który wykonuje swoją pracę z dużą dokładnością. Polimeraza RNA jest podatna na więcej błędów, wprowadzając niewłaściwy nukleotyd co 10 ⁴ nukleotydów.

Bibliografia

1. Alberts, B., Bray, D., Hopkin, K., Johnson, AD, Lewis, J., Raff, M.,… & Walter, P. (2015). Niezbędna biologia komórki. Garland Science.
2. Cann, IK i Ishino, Y. (1999). Replikacja Archaeal DNA: identyfikacja elementów w celu rozwiązania zagadki. Genetics, 152 (4), 1249–67.
3. Cooper, GM i Hausman, RE (2004). Komórka: podejście molekularne. Medicinska naklada.
4. Garcia-Diaz, M. i Bebenek, K. (2007). Wiele funkcji polimeraz DNA. Critical reviews in plant science, 26 (2), 105–122.
5. Lewin, B. (1975). Ekspresja genu. UMI Books on Demand.
6. Lodish, H., Berk, A., Darnell, JE, Kaiser, CA, Krieger, M., Scott, MP,… & Matsudaira, P. (2008). Biologia komórki molekularnej. Macmillan.
7. Pierce, BA (2009). Genetyka: podejście koncepcyjne. Panamerican Medical Ed.
8. Shcherbakova, PV, Bebenek, K. i Kunkel, TA (2003). Funkcje eukariotycznych polimeraz DNA. Science's SAGE KE, 2003 (8), 3.
9. Steitz, TA (1999). Polimerazy DNA: różnorodność strukturalna i wspólne mechanizmy. Journal of Biological Chemistry, 274 (25), 17395-17398.
10. Wu, S., Beard, WA, Pedersen, LG i Wilson, SH (2013). Porównanie strukturalne architektury polimerazy DNA sugeruje bramę nukleotydową do aktywnego miejsca polimerazy. Chemical Reviews, 114 (5), 2759–74.